berita

Kapasitor adalah salah satu komponen yang paling umum digunakan pada papan sirkuit. Seiring dengan meningkatnya jumlah perangkat elektronik (mulai dari ponsel hingga mobil), kebutuhan akan kapasitor juga meningkat. Pandemi Covid 19 telah mengganggu rantai pasokan komponen global mulai dari semikonduktor hingga komponen pasif, dan pasokan kapasitor berkurang1.
Pembahasan topik kapasitor dapat dengan mudah diubah menjadi buku atau kamus. Pertama, ada berbagai jenis kapasitor, seperti kapasitor elektrolitik, kapasitor film, kapasitor keramik, dan sebagainya. Kemudian pada jenis yang sama terdapat bahan dielektrik yang berbeda. Ada juga kelas yang berbeda. Sedangkan untuk struktur fisiknya, ada jenis kapasitor dua terminal dan tiga terminal. Ada juga kapasitor tipe X2Y, yang pada dasarnya adalah sepasang kapasitor Y yang dikemas menjadi satu. Bagaimana dengan superkapasitor? Faktanya adalah, jika Anda duduk dan mulai membaca panduan pemilihan kapasitor dari produsen besar, Anda dapat dengan mudah menghabiskan hari itu!
Karena artikel ini membahas dasar-dasarnya, saya akan menggunakan metode yang berbeda dari biasanya. Seperti disebutkan sebelumnya, panduan pemilihan kapasitor dapat dengan mudah ditemukan di situs web pemasok 3 dan 4, dan teknisi lapangan biasanya dapat menjawab sebagian besar pertanyaan tentang kapasitor. Pada artikel ini, saya tidak akan mengulangi apa yang dapat Anda temukan di Internet, tetapi saya akan menunjukkan cara memilih dan menggunakan kapasitor melalui contoh praktis. Beberapa aspek pemilihan kapasitor yang kurang dikenal, seperti degradasi kapasitansi, juga akan dibahas. Setelah membaca artikel ini, Anda seharusnya memiliki pemahaman yang baik tentang penggunaan kapasitor.
Bertahun-tahun yang lalu, ketika saya bekerja di sebuah perusahaan yang membuat peralatan elektronik, kami mempunyai pertanyaan wawancara untuk seorang insinyur elektronika daya. Pada diagram skema produk yang ada, kita akan menanyakan calon calon “Apa fungsi kapasitor elektrolitik DC link?” dan “Apa fungsi kapasitor keramik yang terletak di sebelah chip?” Kami berharap jawaban yang benar adalah kapasitor bus DC Digunakan untuk penyimpanan energi, kapasitor keramik digunakan untuk penyaringan.
Jawaban “benar” yang kami cari sebenarnya menunjukkan bahwa semua orang di tim desain melihat kapasitor dari perspektif rangkaian sederhana, bukan dari perspektif teori medan. Sudut pandang teori rangkaian tidak salah. Pada frekuensi rendah (dari beberapa kHz hingga beberapa MHz), teori rangkaian biasanya dapat menjelaskan masalahnya dengan baik. Hal ini karena pada frekuensi yang lebih rendah, sinyalnya sebagian besar berada dalam mode diferensial. Dengan menggunakan teori rangkaian, kita dapat melihat kapasitor yang ditunjukkan pada Gambar 1, dimana resistansi seri ekivalen (ESR) dan induktansi seri ekivalen (ESL) membuat impedansi kapasitor berubah seiring dengan frekuensi.
Model ini sepenuhnya menjelaskan kinerja rangkaian ketika rangkaian dialihkan secara perlahan. Namun, seiring dengan meningkatnya frekuensi, segalanya menjadi semakin rumit. Pada titik tertentu, komponen mulai menunjukkan non-linearitas. Ketika frekuensi meningkat, model LCR sederhana memiliki keterbatasan.
Saat ini, jika saya ditanyai pertanyaan wawancara yang sama, saya akan memakai kacamata observasi teori lapangan dan mengatakan bahwa kedua jenis kapasitor adalah perangkat penyimpan energi. Bedanya, kapasitor elektrolitik dapat menyimpan energi lebih banyak dibandingkan kapasitor keramik. Namun dari segi transmisi energi, kapasitor keramik dapat mentransmisikan energi lebih cepat. Hal ini menjelaskan mengapa kapasitor keramik perlu ditempatkan di sebelah chip, karena chip memiliki frekuensi switching dan kecepatan switching yang lebih tinggi dibandingkan dengan rangkaian daya utama.
Dari perspektif ini, kita dapat dengan mudah mendefinisikan dua standar kinerja kapasitor. Salah satunya adalah seberapa banyak energi yang dapat disimpan oleh kapasitor, dan yang lainnya adalah seberapa cepat energi tersebut dapat ditransfer. Keduanya bergantung pada cara pembuatan kapasitor, bahan dielektrik, hubungan dengan kapasitor, dan lain sebagainya.
Bila saklar pada rangkaian ditutup (lihat Gambar 2), hal ini menandakan bahwa beban membutuhkan energi dari sumber listrik. Kecepatan penutupan saklar ini menentukan urgensi permintaan energi. Karena energi berpindah dengan kecepatan cahaya (setengah kecepatan cahaya pada material FR4), maka diperlukan waktu untuk mentransfer energi. Selain itu, terdapat ketidaksesuaian impedansi antara sumber dengan saluran transmisi dan beban. Ini berarti bahwa energi tidak akan ditransfer dalam satu perjalanan, tetapi dalam beberapa perjalanan pulang pergi5, itulah sebabnya ketika saklar dialihkan dengan cepat, kita akan melihat penundaan dan dering dalam bentuk gelombang peralihan.
Gambar 2: Energi memerlukan waktu untuk merambat di ruang angkasa; ketidaksesuaian impedansi menyebabkan perpindahan energi berulang-ulang.
Fakta bahwa penyaluran energi membutuhkan waktu dan beberapa kali perjalanan bolak-balik memberi tahu kita bahwa kita perlu memindahkan energi sedekat mungkin ke beban, dan kita perlu menemukan cara untuk menyalurkannya dengan cepat. Yang pertama biasanya dicapai dengan mengurangi jarak fisik antara beban, saklar dan kapasitor. Yang terakhir ini dicapai dengan mengumpulkan sekelompok kapasitor dengan impedansi terkecil.
Teori medan juga menjelaskan apa yang menyebabkan kebisingan mode umum. Singkatnya, kebisingan mode umum dihasilkan ketika kebutuhan energi beban tidak terpenuhi selama peralihan. Oleh karena itu, energi yang tersimpan di ruang antara beban dan konduktor di dekatnya akan disediakan untuk mendukung kebutuhan langkah. Jarak antara beban dan konduktor di dekatnya disebut kapasitansi parasit/saling (lihat Gambar 2).
Kami menggunakan contoh berikut untuk mendemonstrasikan cara menggunakan kapasitor elektrolitik, kapasitor keramik multilayer (MLCC), dan kapasitor film. Teori rangkaian dan medan digunakan untuk menjelaskan kinerja kapasitor yang dipilih.
Kapasitor elektrolitik terutama digunakan pada sambungan DC sebagai sumber energi utama. Pilihan kapasitor elektrolitik seringkali bergantung pada:
Untuk kinerja EMC, karakteristik kapasitor yang paling penting adalah karakteristik impedansi dan frekuensi. Emisi konduksi frekuensi rendah selalu bergantung pada kinerja kapasitor tautan DC.
Impedansi tautan DC tidak hanya bergantung pada ESR dan ESL kapasitor, tetapi juga pada luas loop termal, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3. Area loop termal yang lebih besar berarti transfer energi membutuhkan waktu lebih lama, sehingga kinerja akan terpengaruh.
Konverter DC-DC step-down dibuat untuk membuktikan hal ini. Pengaturan pengujian EMC pra-kepatuhan yang ditunjukkan pada Gambar 4 melakukan pemindaian emisi yang dilakukan antara 150kHz dan 108MHz.
Penting untuk memastikan bahwa kapasitor yang digunakan dalam studi kasus ini semuanya berasal dari pabrikan yang sama untuk menghindari perbedaan karakteristik impedansi. Saat menyolder kapasitor pada PCB, pastikan tidak ada kabel yang panjang, karena ini akan meningkatkan ESL kapasitor. Gambar 5 menunjukkan tiga konfigurasi.
Hasil emisi yang dilakukan dari ketiga konfigurasi ini ditunjukkan pada Gambar 6. Terlihat bahwa dibandingkan dengan kapasitor tunggal 680 µF, kedua kapasitor 330 µF mencapai kinerja pengurangan kebisingan sebesar 6 dB pada rentang frekuensi yang lebih luas.
Dari teori rangkaian dapat dikatakan bahwa dengan menghubungkan dua kapasitor secara paralel, baik ESL maupun ESR menjadi setengahnya. Dari sudut pandang teori medan, tidak hanya ada satu sumber energi, tetapi dua sumber energi disuplai ke beban yang sama, sehingga secara efektif mengurangi waktu transmisi energi secara keseluruhan. Namun, pada frekuensi yang lebih tinggi, perbedaan antara dua kapasitor 330 µF dan satu kapasitor 680 µF akan menyusut. Hal ini karena kebisingan frekuensi tinggi menunjukkan respons energi langkah yang tidak mencukupi. Saat memindahkan kapasitor 330 µF lebih dekat ke sakelar, kami mengurangi waktu transfer energi, yang secara efektif meningkatkan respons langkah kapasitor.
Hasilnya memberi kita pelajaran yang sangat penting. Meningkatkan kapasitansi kapasitor tunggal umumnya tidak akan mendukung permintaan bertahap akan lebih banyak energi. Jika memungkinkan, gunakan beberapa komponen kapasitif yang lebih kecil. Ada banyak alasan bagus untuk hal ini. Yang pertama adalah biaya. Secara umum, untuk ukuran paket yang sama, biaya kapasitor meningkat secara eksponensial seiring dengan nilai kapasitansi. Menggunakan satu kapasitor mungkin lebih mahal dibandingkan menggunakan beberapa kapasitor yang lebih kecil. Alasan kedua adalah ukuran. Faktor pembatas dalam desain produk biasanya adalah ketinggian komponen. Untuk kapasitor berkapasitas besar, tingginya seringkali terlalu besar, sehingga tidak sesuai untuk desain produk. Alasan ketiga adalah kinerja EMC yang kita lihat dalam studi kasus.
Faktor lain yang perlu dipertimbangkan ketika menggunakan kapasitor elektrolitik adalah ketika Anda menghubungkan dua kapasitor secara seri untuk berbagi tegangan, Anda memerlukan resistor penyeimbang 6.
Seperti yang telah disebutkan sebelumnya, kapasitor keramik merupakan perangkat mini yang dapat menyediakan energi dengan cepat. Saya sering ditanya pertanyaan “Berapa banyak kapasitor yang saya perlukan?” Jawaban atas pertanyaan ini adalah untuk kapasitor keramik, nilai kapasitansi tidak terlalu penting. Pertimbangan penting di sini adalah menentukan pada frekuensi mana kecepatan transfer energi mencukupi untuk aplikasi Anda. Jika emisi yang dihantarkan gagal pada 100 MHz, maka kapasitor dengan impedansi terkecil pada 100 MHz akan menjadi pilihan yang baik.
Ini adalah kesalahpahaman lain mengenai MLCC. Saya telah melihat para insinyur menghabiskan banyak energi untuk memilih kapasitor keramik dengan ESR dan ESL terendah sebelum menghubungkan kapasitor ke titik referensi RF melalui jejak yang panjang. Perlu disebutkan bahwa ESL MLCC biasanya jauh lebih rendah daripada induktansi koneksi di papan. Induktansi sambungan masih merupakan parameter terpenting yang mempengaruhi impedansi frekuensi tinggi kapasitor keramik7.
Gambar 7 menunjukkan contoh yang buruk. Jejak panjang (panjang 0,5 inci) menghasilkan setidaknya induktansi 10nH. Hasil simulasi menunjukkan bahwa impedansi kapasitor menjadi jauh lebih tinggi dari yang diharapkan pada titik frekuensi (50 MHz).
Salah satu masalah dengan MLCC adalah bahwa mereka cenderung selaras dengan struktur induktif di dewan. Hal ini dapat dilihat pada contoh yang ditunjukkan pada Gambar 8, di mana penggunaan MLCC 10 µF menimbulkan resonansi pada sekitar 300 kHz.
Anda dapat mengurangi resonansi dengan memilih komponen dengan ESR yang lebih besar atau cukup memasang resistor bernilai kecil (seperti 1 ohm) secara seri dengan kapasitor. Jenis metode ini menggunakan komponen lossy untuk menekan sistem. Metode lain adalah dengan menggunakan nilai kapasitansi lain untuk memindahkan resonansi ke titik resonansi yang lebih rendah atau lebih tinggi.
Kapasitor film digunakan dalam banyak aplikasi. Mereka adalah kapasitor pilihan untuk konverter DC-DC berdaya tinggi dan digunakan sebagai filter penekan EMI di seluruh saluran listrik (AC dan DC) dan konfigurasi pemfilteran mode umum. Kami mengambil kapasitor X sebagai contoh untuk mengilustrasikan beberapa poin utama penggunaan kapasitor film.
Jika terjadi lonjakan arus, hal ini membantu membatasi tegangan tegangan puncak pada saluran, sehingga biasanya digunakan dengan penekan tegangan transien (TVS) atau varistor oksida logam (MOV).
Anda mungkin sudah mengetahui semua ini, tetapi tahukah Anda bahwa nilai kapasitansi kapasitor X dapat berkurang secara signifikan seiring penggunaan bertahun-tahun? Hal ini terutama berlaku jika kapasitor digunakan di lingkungan yang lembab. Saya telah melihat nilai kapasitansi kapasitor X hanya turun hingga beberapa persen dari nilai pengenalnya dalam satu atau dua tahun, sehingga sistem yang awalnya dirancang dengan kapasitor X sebenarnya kehilangan semua perlindungan yang mungkin dimiliki kapasitor front-end.
Jadi, apa yang terjadi? Udara lembab dapat bocor ke dalam kapasitor, ke atas kabel, dan di antara kotak dan kompon pot epoksi. Metalisasi aluminium kemudian dapat dioksidasi. Alumina merupakan isolator listrik yang baik sehingga mengurangi kapasitansi. Ini adalah masalah yang akan dihadapi oleh semua kapasitor film. Masalah yang saya bicarakan adalah ketebalan film. Merek kapasitor ternama menggunakan film yang lebih tebal sehingga menghasilkan kapasitor yang lebih besar dibandingkan merek lain. Lapisan yang lebih tipis membuat kapasitor kurang kuat terhadap beban berlebih (tegangan, arus, atau suhu), dan kecil kemungkinannya untuk pulih sendiri.
Jika kapasitor X tidak tersambung secara permanen ke catu daya, maka Anda tidak perlu khawatir. Misalnya, untuk produk yang memiliki peralihan keras antara catu daya dan kapasitor, ukuran mungkin lebih penting daripada umur pakai, dan kemudian Anda dapat memilih kapasitor yang lebih tipis.
Namun, jika kapasitor dihubungkan secara permanen ke sumber listrik, maka kapasitor tersebut harus memiliki keandalan yang tinggi. Oksidasi kapasitor tidak bisa dihindari. Jika bahan epoksi kapasitor berkualitas baik dan kapasitor tidak sering terkena suhu ekstrem, penurunan nilainya harus minimal.
Pada artikel ini, pertama kali diperkenalkan pandangan teori medan kapasitor. Contoh praktis dan hasil simulasi menunjukkan cara memilih dan menggunakan jenis kapasitor yang paling umum. Semoga informasi ini dapat membantu Anda memahami peran kapasitor dalam desain elektronik dan EMC secara lebih komprehensif.
Dr. Min Zhang adalah pendiri dan kepala konsultan EMC di Mach One Design Ltd, sebuah perusahaan teknik berbasis di Inggris yang mengkhususkan diri dalam konsultasi, pemecahan masalah, dan pelatihan EMC. Pengetahuannya yang mendalam di bidang elektronika daya, elektronik digital, motor, dan desain produk telah memberikan manfaat bagi perusahaan di seluruh dunia.
In Compliance adalah sumber utama berita, informasi, pendidikan dan inspirasi bagi para profesional teknik elektro dan elektronik.
Dirgantara Otomotif Komunikasi Elektronik Konsumen Pendidikan Industri Energi dan Tenaga Teknologi Informasi Medis Militer dan Pertahanan Nasional